La tavola periodica è stata uno strumento fondamentale fondamentale per la ricerca sui materiali da quando è stata creata per la prima volta 150 anni fa. Ora, Martin Rahm della Chalmers University of Technology presenta un nuovo articolo che aggiunge una dimensione completamente nuova al tavolo, offrendo una nuova serie di principi per la ricerca sui materiali. L'articolo è pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana .

Lo studio mappa come cambiano sia l'elettronegatività che la configurazione elettronica degli elementi sotto pressione. Questi risultati offrono ai ricercatori dei materiali una serie completamente nuova di strumenti. In primis, significa che ora è possibile fare previsioni rapide su come determinati elementi si comporteranno a pressioni diverse, senza richiedere test sperimentali o calcoli di meccanica quantistica computazionalmente costosi.

"Attualmente, la ricerca di quei composti interessanti che appaiono ad alta pressione richiede un grande investimento di tempo e risorse, sia computazionalmente che sperimentalmente. Come conseguenza, è stata studiata solo una piccola frazione di tutti i possibili composti. Il lavoro che presentiamo può fungere da guida per aiutare a spiegare cosa cercare e quali composti aspettarsi quando i materiali vengono posti ad alta pressione, "dice Martin Rahm, Assistant Professor in Chimica presso Chalmers, che ha condotto lo studio.

Ad alte pressioni le proprietà degli atomi possono cambiare radicalmente. Il nuovo studio mostra come la configurazione elettronica e l'elettronegatività degli atomi cambiano all'aumentare della pressione. La configurazione elettronica è fondamentale per la struttura della tavola periodica. Determina a quale gruppo nel sistema appartengono i diversi elementi. L'elettronegatività è anche un concetto centrale della chimica e può essere vista come una terza dimensione della tavola periodica. Indica con quanta forza atomi diversi attraggono gli elettroni. Insieme, la configurazione elettronica e l'elettronegatività sono importanti per comprendere come gli atomi reagiscono tra loro per formare sostanze diverse. Ad alta pressione, atomi che normalmente non si combinano possono creare nuovi, composti mai visti prima con proprietà uniche. Tali materiali possono ispirare i ricercatori a provare altri metodi per crearli in condizioni più normali, e darci una nuova visione di come funziona il nostro mondo.

"Ad alta pressione, possono sorgere strutture chimiche estremamente affascinanti con qualità insolite, e possono verificarsi reazioni impossibili in condizioni normali. Molto di ciò che noi chimici sappiamo sulle proprietà degli elementi in condizioni ambientali semplicemente non è più vero. Puoi praticamente prendere gran parte della tua educazione chimica e buttarla fuori dalla finestra! Nella dimensione della pressione c'è un numero incredibile di nuove combinazioni di atomi da indagare" dice Martin Rahm.

Un noto esempio di ciò che può accadere ad alta pressione è il modo in cui i diamanti possono essere formati dalla grafite. Un altro esempio è la polimerizzazione del gas azoto, dove gli atomi di azoto sono costretti insieme a legarsi in una rete tridimensionale. Questi due materiali ad alta pressione sono molto diversi tra loro. Mentre il carbonio mantiene la sua struttura a diamante, l'azoto polimerizzato è instabile e ritorna in forma gassosa quando viene rilasciata la pressione. Se la struttura polimerica dell'azoto potesse essere mantenuta a pressioni normali, sarebbe senza dubbio il composto chimico più denso di energia sulla Terra.

Attualmente, diversi gruppi di ricerca utilizzano alte pressioni per creare superconduttori, materiali che possono condurre elettricità senza resistenza. Alcuni di questi superconduttori ad alta pressione funzionano vicino alla temperatura ambiente. Se un tale materiale potesse essere fatto funzionare a pressione normale, sarebbe rivoluzionario, abilitare, Per esempio, trasferimento di potenza senza perdite e levitazione magnetica più economica.

"Innanzitutto, il nostro studio offre interessanti possibilità per suggerire nuovi esperimenti che possono migliorare la nostra comprensione degli elementi. Anche se molti materiali risultanti da tali esperimenti si rivelano instabili a pressione normale, possono darci intuizioni su quali proprietà e fenomeni sono possibili. I passaggi successivi saranno trovare altri modi per raggiungere gli stessi risultati, "dice Martin Rahm.

Ricerca ad alta pressione

La ricerca ha teoricamente previsto come la natura di 93 dei 118 elementi della tavola periodica cambi all'aumentare della pressione da 0 pascal fino a 300 gigapascal (GPa). 1 GPa è circa 10, 000 volte la pressione della superficie terrestre. 360 GPa corrisponde alla pressione estremamente elevata che si trova vicino al centro della Terra. La tecnologia per ricreare questa pressione esiste in diversi laboratori, Per esempio, utilizzando cellule di incudine di diamante o esperimenti d'urto.

"La pressione a cui siamo abituati sulla superficie terrestre è in realtà piuttosto rara, visto da una prospettiva più ampia. Oltre a facilitare la sintesi di materiale ad alta pressione sulla Terra, il nostro lavoro può anche consentire una migliore comprensione dei processi che si verificano su altri pianeti e lune. Per esempio, nel mare più grande del sistema solare, molte miglia sotto la superficie della luna di Giove Ganimede. O dentro i pianeti giganti, dove la pressione è enorme, "dice Martin Rahm.

Il lavoro è stato svolto utilizzando un modello matematico, in cui ogni atomo era posto al centro di una cavità sferica. L'effetto dell'aumento di pressione è stato simulato attraverso la graduale riduzione del volume della sfera. Le proprietà fisiche degli atomi nei diversi stadi di compressione potrebbero quindi essere calcolate utilizzando la meccanica quantistica.

Ad alta pressione, atomi e molecole si avvicinano, e assumere diverse strutture atomiche ed elettroniche. Una conseguenza di ciò è che i materiali che solitamente sono semiconduttori o isolanti possono trasformarsi in metalli.

Solo alcuni materiali che si formano ad alta pressione mantengono la loro struttura e proprietà quando vengono riportati alla pressione ambiente.